高危生產(chǎn)區(qū)域人員定位節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)

摘要：為了適應(yīng)室內(nèi)人員追蹤定位系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)體積、供電、定位精度等的要求，提出了一種以ATmega128L單片機(jī)和NA5TR1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片為核心的無(wú)線(xiàn)定位節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)方案。ATmega128L單片機(jī)具有低功耗的體眠模式，能有效降低節(jié)點(diǎn)功耗，NA5TR1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片采用線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行測(cè)距，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該測(cè)距方法能有效地提高測(cè)距精度，從而提高定位的精度。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)定位；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻；NA5TR1；ATmega128L

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，很多新型的化工企業(yè)正向著信息化、智能化、無(wú)人化的方向發(fā)展，但在其發(fā)展過(guò)程中，傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)設(shè)備的方法仍將在高危生產(chǎn)區(qū)域中占據(jù)主導(dǎo)。盡管已經(jīng)采取很多措施以提高整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全性能，一些由設(shè)備隱患、制度缺陷、工作疏忽或個(gè)人違章行為等原因引起的安全事故仍舊威脅著現(xiàn)場(chǎng)工作人員的生命安全。在提高工作人員的安全意識(shí)和改進(jìn)設(shè)備來(lái)避免事故發(fā)生的同時(shí)，也要在事故發(fā)生之后采取有效的措施使資源、財(cái)產(chǎn)、生命的損失降到最低，尤其是要保障高危生產(chǎn)區(qū)域工作人員的生命安全。在事故發(fā)生以后，如果能對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)遇難人員的位置進(jìn)行定位，將可以大大加快搜救的速度，提高搜救的效率。目前可用來(lái)室內(nèi)定位的技術(shù)主要有紅外線(xiàn)室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、Zigbee技術(shù)等，但是這些技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域有著各自的不足。例如，紅外和超聲波無(wú)法對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行定位；射頻識(shí)別技術(shù)通信距離短，定位精度低；藍(lán)牙技術(shù)功耗大，傳輸距離短，穩(wěn)定性差；Zigbee技術(shù)定位精度低，抗干擾能力弱等。除了這些技術(shù)外，還有最新的線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)，線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)利用射頻信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離，進(jìn)而對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。該技術(shù)具有發(fā)射功率低、通信穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高等特點(diǎn)，能很好地用于化工生產(chǎn)環(huán)境的人員定位。本文采用的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片即為利用CSS技術(shù)的NA5TR1。

1 線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)
Chirp信號(hào)是瞬時(shí)頻率隨時(shí)間線(xiàn)性變化的正弦波信號(hào)，通過(guò)對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制以增加信號(hào)的發(fā)射帶寬并在接收時(shí)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，頻譜帶寬較大，具有良好的自相關(guān)性。用Chirp信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻的通信方式被稱(chēng)為線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻。基于線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻的測(cè)距過(guò)程如圖1所示。第1次測(cè)量時(shí)，節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)2發(fā)送數(shù)據(jù)包并接收節(jié)點(diǎn)2發(fā)送的應(yīng)答，計(jì)算出從發(fā)出數(shù)據(jù)包到接收到應(yīng)答的傳播延時(shí)T1，節(jié)點(diǎn)2從接收到數(shù)據(jù)包開(kāi)始計(jì)時(shí)，一直到節(jié)點(diǎn)2發(fā)送出應(yīng)答即停止計(jì)時(shí)，得到處理延時(shí)T2。第二次測(cè)量時(shí)，節(jié)點(diǎn)2向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送含有T2的數(shù)據(jù)包并接收節(jié)點(diǎn)1發(fā)送的應(yīng)答，同第一次測(cè)量一樣，節(jié)點(diǎn)2計(jì)算出傳播延時(shí)T3，節(jié)點(diǎn)1計(jì)算出處理延時(shí)T4。最后，節(jié)點(diǎn)2再向節(jié)點(diǎn)1發(fā)送含有T3的數(shù)據(jù)包，節(jié)點(diǎn)1根據(jù)得到的4個(gè)延時(shí)數(shù)據(jù)以及信號(hào)的傳播速度通過(guò)公式(1)計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)間的距離d，其中c為射頻的傳播速度，約為光速。
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